Гігантські плазмові хвилі прискорюють втрату атмосфери Марса

Марс постійно обдуває потік заряджених частинок від Сонця — сонячний вітер. На відміну від Землі, планета не має потужного глобального магнітного поля, тому цей потік безпосередньо вдаряє по верхніх шарах атмосфери й поступово вириває з них частинки. Нове дослідження, про яке розповідає SciTechDaily, показує, що в цьому процесі важливу роль можуть відігравати гігантські плазмові хвилі.

Команда під керівництвом Бостонського університету виявила, що сонячний вітер збурює зовнішню межу атмосфери Марса подібно до того, як вітер хвилює поверхню води. На кордоні між потоком плазми та атмосферою виникають великі «перекочувальні» структури — хвилі Кельвіна–Гельмгольца, які здатні захоплювати й виносити атмосферний матеріал у космос.

Два апарати, що доповнюють один одного

Перший автор роботи, дослідник Чі Чжан (Chi Zhang) з Центру космічної фізики Бостонського університету, разом із колегами використав вимірювання двох місій: американського апарата MAVEN і китайської місії «Тяньвень-1» (Tianwen-1). Центр космічної фізики об’єднує Коледж мистецтв і наук та Коледж інженерії університету.

«Тяньвень-1» реєстрував недоторканий сонячний вітер до того, як він досягав Марса, тоді як MAVEN вимірював іони, що вже тікали з атмосфери поблизу планети. Поєднання цих даних дало змогу безпосередньо порівняти поточні умови сонячного вітру зі змінами у втраті атмосферних частинок Марса.

Раніше було відомо, що у верхній атмосфері Марса можуть формуватися великі плазмові хмари, які виносять групи іонів у процесі так званої «масової втечі» (bulk escape). Існувало кілька гіпотез, як саме виникають ці хмари, але бракувало прямих спостережень, які б пов’язали їх із конкретним механізмом.

Один апарат не міг розв’язати цю задачу: він не здатен одночасно вимірювати сонячний вітер «вище за течією» та втечу іонів біля Марса. У попередній роботі, опублікованій у Nature Communications, Чжан і колеги показали, що скоординовані спостереження MAVEN і «Тяньвень-1» дозволяють пов’язати зміни вхідного сонячного вітру з умовами навколо планети.

Хвилі Кельвіна–Гельмгольца як рушій втечі іонів

У новому дослідженні в Science Advances вчені застосували той самий підхід двох апаратів і змогли виділити хвилі Кельвіна–Гельмгольца як важливий чинник масової втечі атмосферних іонів. Ці хвилі формуються там, де потік плазми сонячного вітру ковзає вздовж краю верхньої атмосфери Марса, «розмішуючи» межу та створюючи великі плазмові хмари, що несуть атмосферні частинки назовні.

Команда Чжана знайшла прямі свідчення того, що саме хвилі Кельвіна–Гельмгольца породжують спостережувані плазмові хмари. Вимірювання також показали, що пов’язана з ними втрата атмосфери відбувається не рівномірно по всій планеті.

За словами дослідників, посилена втеча іонів спостерігається переважно з одного боку Марса — це залежить від напрямку електричного поля сонячного вітру. Саме орієнтація цього поля, ймовірно, визначає, де хвилі формуються найефективніше і де втрата атмосфери стає найсильнішою.

Таким чином, результати пов’язують в єдиний ланцюжок: умови сонячного вітру, розвиток хвиль Кельвіна–Гельмгольца на межі атмосфери та посилену втечу атмосферних іонів.

Що ще потрібно з’ясувати

Попри нові дані, залишається низка відкритих питань. Дослідникам потрібно встановити, як часто виникають такі хвилі, за яких параметрів сонячного вітру вони посилюються та яку частку загальної втрати атмосфери Марса забезпечують.

Чжан зазначає, що подальша робота буде зосереджена на визначенні умов, які сприяють формуванню та зростанню хвиль Кельвіна–Гельмгольца, а також на оцінці їхнього внеску у втрату атмосфери. Для цього знадобляться нові вимірювання з космічних апаратів і більш складні чисельні моделі.

MAVEN уже переходить у завершальну фазу своєї місії, але, за словами Чжана, естафету має підхопити інша місія. NASA вже запустило місію ESCAPADE, яка повинна надати нові можливості для вивчення втрати атмосфери Марса під дією сонячного вітру.

Очікується, що ESCAPADE допоможе краще зрозуміти, як саме умови сонячного вітру впливають на атмосферу Марса, і дозволить оцінити важливість хвиль Кельвіна–Гельмгольца порівняно з іншими процесами, що виносять частинки в космос.

Чуаньфей Дон (Chuanfei Dong), співробітник Центру космічної фізики Бостонського університету та доцент астрономії, підкреслює, що вчені прагнуть з’ясувати, коли ці хвилі найімовірніше виникають, як вони еволюціонують і наскільки сильно можуть посилювати втечу атмосфери. Подібний механізм, за його словами, може діяти й на інших планетах без потужного магнітного поля, включно з деякими екзопланетами.

Отже, результати мають значення не лише для Марса. Планети без сильного глобального магнітного поля можуть зазнавати схожих хвильових процесів на межі атмосфери, коли зоряний вітер безпосередньо взаємодіє з їхніми верхніми шарами.

Марс вважають колись потенційно придатним для життя, із густішою атмосферою та рідкою водою на поверхні. Розуміння того, як він перетворився на холодну й суху планету, яку ми спостерігаємо сьогодні, важливе для загальної картини еволюції планетних середовищ у часі.